Was steht im Aufgabenhaft der IBM-Chip-Designer? Ausblick auf Power 7+, Power 8 und den denkenden Chip

Redakteur: Ulrike Ostler

Die ersten Details der neuen IBM-Chips „Power 7 +“ und „Power 8“ wurden im Mai bekannt. Doch waren die Infos noch sehr dünn. Doch jetzt ist durch die Oracle-Ankündigung, das Unternehmen werde Itanium nicht mehr unterstützen, viel Dynamic im Markt. Jedenfalls lässt IBM nun deutlicher die Chip-Zukunft erschimmern. Dazu gehört auch die Vorstellung von „Synapse“, einem Prozessor, der wie das Gehirn funktioniert.

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Roadmap der Power-Chips von IBM; Bild: IBM
Roadmap der Power-Chips von IBM; Bild: IBM
( Archiv: Vogel Business Media )

Der Plan war ursprünglich: “Power 6” sollt im Jahr 2006 herauskommen, „Power 6 +“ 2007, „Power 7“ im Jahr 2008 und Power 7+ 2009. Das hätte eine Zwei-Jahres-Kadenz für jeweils ein neues Prozessor-Design bedeutet sowie die Anpassung des Herstellungsprozesses in den Zwischenschritten.

Tatsächlich hat IBM die Schrittlänge für die Generation Power 6+ um 50 Prozent verlängert und die Chips waren nicht das, was vermutet worden war: ein Quad-Core-Chip, der in einem 45 Nanometer-Prozess gefertigt wird. Warum das so war, hat IBM nie erklärt. Aber es steht zu vermuten, dass es etwas mit der 65 Nanometer-Fabrik in East Fishkill, New York, zu tun hat und der vorerst entschärften Konkurrenz zu Sun Microsystems, als das Unternehmen von Oracle übernommen wurde.

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Wie dem auch sei, mit Power 7 wechselte IBM auf einen Drei-Jahres-Zyklus für ein neues Prozessor-Design. Der Hersteller spricht von einer 36-Monats-Revolution und eine 18-Monats-+-Evolution. Das Tempo ist damit dem „Tick-Tack“ von Intel für seine Desktop-Kerne und „Xeon“-Server-Prozessoren angeglichen.

Kompatibilität bewahrt

Wie Steve Sibley, Director Product-Management für Power Systeme, früher betätigte, wird es Power 7+-Chips geben, die sich Socket-kompatibel zu Power-7 verhalten. Dazu soll es Verbesserungen im I/O-Bereich geben, die vom Hersteller jedoch noch nicht genauer spezifiziert sind.

Zu vermuten stand allerdings, dass IBM embedded Infiniband nutzen wird, um remote I/O-Drawer zu verbinden. Das erlaubte etwa 40 Gigabit pro Sekunde Quad Data Rate beziehungsweise 56 Gigabit pro Sekunde Fourteen Data Rate (FDR) Infiniband statt wie bisher 20 Gbit pro Sekunde Double Data Rate (DDR) Infiniband. Außerdem dürften die Chips oder/und die Boards PCI-Express 3.0 unterstützen. Zudem war zu überlegen, ob IBM wohl auf 32-Nonometer-Prozesse gehen wird, um mit dem kleineren Format die Taktung zu beschleunigen.

Die aktuelle Roadmap (siehe: Grafik) zeigt tatsächlich dass der Power 7+-Chip im 32-Nonometer-verfahren produziert wird. Der erste Power-7-Chip, der im Februar 2010 herauskam, basierte noch auf einem 45 Nanometer-Prozess und wurde erst im August 2010 umgestellt.

Alle Zeichen auf Beschleunigung

Außerdem soll der Power-7+-Chip schneller laufen, über einen sehr großen Cache und „Accelarors“ zur Beschleunigung verfügen. Bisher sind 32 Megabyte Chache im integrierten DRAM möglich. Mit Hilfe der 32-Namometer dürften die Uhren auf den Prozessoren um 20 bis 30 Prozent schneller gehen.

Wenn jedoch der eDRAM Cache zu stark aufgeplustert wird, könnte zu Redesign notwendig warden. Das aber würde die Idee der Evolution in Frage stellen. So ist es fast sicher, dass IBM bei 7+-Varianten mit vier, sechs und acht Kernen bleibt.

Wer nachrechnet, stellt fest, dass es längst einen 7+-Chip geben sollte. Jetzt ist im Oktober oder gar November damit zu rechnen, was wie zufällig mit dem Launch von „Sandy Bridge“, beziehungsweise mit dem „Xeon-E5“-Prozessor von Intel zusammenfällt.

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Dann kommt Power 8

Im April 2010 wollte IBM ursprünglich bereits mit Systemen wie “Power 750“, „Power 770“ und im Oktober 2010 mit „Power 720“, „PS7XX“-Blades und „Power 795“ für den High-end-Markt auf den Markt gehen. Allerdings hat IBM sein Portfolio erheblich ausgeweitet und das Announcement verschoben, um die Erholung nach der Rezession zu erwischen. Somit fiel die Markteinführung in die Phase der x64-Prozessoren von Advanced Micro Devices und Intel.

Die Power-8-Chips sollen irgendwann im Frühjahr 2013 auf den Markt gelangen. Nachdem was derzeit bekannt ist, liegt der Fertigung dann ein 28 Nanometer-Prozess zugrunde. Ein Wechsel zu 22 Nanometern ist jedoch bereits vorgesehen. Außerdem soll der Chip über mehr Kerne, größere Caches, mehr Acceleratoren und die über die vierte Generation der IBM-technik Simultaneous Multithreading (SMT) verfügen.

Daraus, wie viele Cores es sein sollen, macht IBM noch ein Geheimnis. Doch das Schrumpfen von 45 auf 22 Nanometer könnte bedeuten, dass 16 Kerne auf einem einzigen Power-8-Chip Platz fänden. Also: Ein Power-8-Chip könnte auf derselben Plattform in etwa doppelt so viel Dampf machen, Socket für Socket.

Synapsen auf dem Chip

Karte der Synapsen; Bild: IBM (Archiv: Vogel Business Media)

Für Schlagzeilen sorgt allerdings eine andere Chip-Entwicklung von IBM: die erste Generation eines Computerprozessors vorgestellt, der wie ein Gehirn arbeitet. Forscher aus dem kalifornischen IBM Research Center in Almaden haben erstmals Prototypen einer neuartigen Klasse von Computerchips vorgestellt, die die Fähigkeiten des menschlichen Gehirns hinsichtlich Wahrnehmung, Kognition und Reaktion in Grundzügen nachahmen. Der als Basis für die Forschungsarbeiten dienende Ansatz lautet „Cognitive Computing“ und könnte zukünftig die Herstellung von lernenden Computern ermöglichen, die zudem um ein Vielfaches effizienter und kleiner sind als heutige Systeme.

Das Ziel von Synapse ist es, ein Computersystem zu entwickeln, das nicht nur verschiedenartige sensorische Eingangsdaten gleichzeitig analysiert, sondern sich auch auf Basis seiner Interaktion mit der Umwelt dynamisch rekonfiguriert. Zudem geht es darum, ein System mit dem geringen Energieverbrauch und Volumen des menschlichen Gehirns zu entwickeln. Längerfristig möchten die IBM Forscher ein System mit 10 Milliarden Neuronen und 100 Billionen Synapsen realisieren, das weniger als 1 Kilowatt Energie verbraucht und ein Volumen von weniger als 2 Litern aufweist.

Dharmendra Modha, Projektleiter bei IBM Research in Almaden, sagt: „Synapse ist ein wichtiges Vorhaben, um den Weg für Computer jenseits der Von-Neumann-Architektur zu ebnen.“ Zukünftige Anwendungen der Informatik verlangten zunehmend nach Funktionen, die mit der heutigen Architektur nicht effizient genug umgesetzt werden könnten. „Unsere Prototypen sind ein weiterer wichtiger Schritt in der Computerentwicklung. Sie läuten eine neue Generation von Computern und Anwendungen in Wirtschaft und Wissenschaft ein.“

Zuerst: 45 Nanometer

Die von den Forschern vorgestellten neurosynaptischen Computerchips enthalten Silizium-Schaltkreise und Algorithmen, deren Aufbau der Neurobiologie entnommen sind und ähnliche Abläufe ermöglichen wie sie zwischen Neuronen und Synapsen im Gehirn auftreten. Zwei erste Prototypen wurden bereits gefertigt und befinden sich derzeit in der Testphase.

Beide Prozessorkerne wurden in 45-Nanometer-SOI-CMOS hergestellt und enthalten 256 Neuronen. Ein Testchip enthält 262.144 programmierbare Synapsen, der andere 65.536 lernende Synapsen. Das IBM-Team konnte damit bereits einfache Anwendungen wie Navigation, maschinelles Sehen, Mustererkennung, sowie assoziative Speicherung und Klassifizierung demonstrieren.

Systeme, die auf dieser neuartigen Technologie basieren, bilden eine Abkehr von der seit über einem halben Jahrhundert geltenden, so genannten Von-Neumann-Architektur, nach der die meisten heute verwendeten Computer aufgebaut sind. Zentrale Aussage der Architektur ist, dass ein Computer aus Rechen-, Steuer-, Eingabe- und Ausgabeeinheit sowie einem Arbeitsspeicher besteht und von definierten Programmen und Instruktionen abhängt, um Aufgaben durchzuführen, die Schritt für Schritt abgearbeitet werden.

Korrelationen und Supercomputing

In der Architektur von kognitiven IT-Systemen verschmilzt die Grenze zwischen Hard- und Software und ermöglicht darauf aufbauenden Computern durch Erfahrung zu lernen, Korrelationen zu finden und Hypothesen zu bilden. Auf diese Weise ahmen sie die strukturelle und synaptische Plastizität des menschlichen Gehirns nach.

Bei der Entwicklung der Chips, die Teil der mehrjährigen Forschungsinitiative Synapse ist, wurden Erkenntnisse und Wissen aus der Nano- sowie Neurowissenschaft und dem Supercomputing eingebracht. IBM und eine Reihe US-amerikanischer Universitäten haben zudem für die zweite Phase des Synapse-Projektes Unterstützung in Höhe von 21 Millionen Dollar von der amerikanischen DARPA-Behörde erhalten.

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